Desarrollo y diseño del programa de quadcopter

El cuadricóptero entró en el campo de visión de la gente común por primera vez, probablemente porque una película divertida e inspiradora, el pequeño cuadricóptero de la película, simbolizaba la bonda

El cuadricóptero entró en el campo de visión de la gente común por primera vez, probablemente porque una película divertida e inspiradora, el pequeño cuadricóptero de la película, simbolizaba la bondad y los sueños del joven estudiante. Más tarde, la ola de hardware de código abierto en el país y en el extranjero convirtió al quadcopter en una estrella deslumbrante. De hecho, la historia de los aviones cuadricópteros ha sido muy larga. Ya en 1907, alguien en Francia había construido el primer helicóptero cuadricóptero. Como no se utilizó el sistema de control de equilibrio, la estabilidad del vuelo era muy mala. Con el desarrollo de la tecnología de control microelectromecánico, el cuadricóptero estable ha recibido una gran atención y sus perspectivas de aplicación son muy prometedoras.


1. Introducción a Quadcopter

Quadrocopter también se llama quadrotor drone y quadrotor. Conocido como cuatro ejes, cuatro rotores. El quadcopter es un avión multirrotor. Las cuatro hélices del quadcopter son todos mecanismos simples con motores conectados directamente. El diseño en forma de cruz permite que la aeronave obtenga la fuerza de rotación del fuselaje cambiando la velocidad del motor, ajustando así su posición. Los detalles técnicos específicos se describen en "Principios básicos de movimiento". Debido a su complejidad inherente, nunca ha habido un gran quadcopter comercial en la historia.


Un vehículo aéreo no tripulado se refiere a un vehículo aéreo que tiene una unidad de potencia y no requiere un operador profesional. Utiliza la hélice para girar y formar un flujo de aire hacia el suelo para compensar la masa del fuselaje y puede realizar un vuelo independiente o un vuelo de control remoto. En comparación con los vehículos aéreos no tripulados de ala fija, el desarrollo de los vehículos aéreos no tripulados de ala giratoria es relativamente lento, debido a que el sistema de control de los vehículos aéreos no tripulados de ala giratoria es más complicado y la tecnología inicial no puede cumplir con los requisitos de vuelo. Sin embargo, el helicóptero tiene las ventajas de todos los aviones y UAV de ala fija: tiene las características de bajo costo, estructura simple, sin restricciones de alas grandes, funciones autónomas de despegue y descenso y bajos costos de accidentes. El quadcopter es el tipo más simple de aeronave multirrotor. Debido a sus amplias perspectivas de aplicación, rápidamente atrajo la atención de muchos investigadores, especialmente el algoritmo de control de UAV de universidades de Estados Unidos y otros países occidentales. Se han logrado muchos resultados en investigación y navegación. Basado en el algoritmo de control PID en China, se han logrado ciertos logros en el control de actitud.


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En segundo lugar, los componentes estructurales del quadcopter

Aunque el quadcopter tiene diferentes tamaños y formas, los principios básicos y la estructura siguen siendo muy similares. Las siguientes son algunas configuraciones comunes.


1. Marco de cuatro ejes


El marco es una estructura de soporte en forma de cruz. Los mini cuatro ejes a menudo usan la placa de circuito como un soporte para invitados. Algunos maestros de bricolaje diseñarán y harán un soporte ligero y simple. Si no tiene las condiciones de procesamiento, puede comprar varios productos terminados directamente en línea. Es mejor tener patas de soporte elásticas para el marco para evitar daños al motor durante el aterrizaje. Además, si es posible, se puede agregar un marco a la hélice para evitar que la pala se dañe o se interrumpa.


2. Motor y hélice de quadcopter


Para hacer el de cuatro ejes más pequeño y liviano, generalmente el motor de cuatro ejes en miniatura elegirá el motor sin núcleo, cada uno con un peso de solo unos pocos gramos. Para el quadcopter seco que todo el mundo juega para la fotografía aérea, se utiliza el motor sin escobillas para modelos de aviones. Estos motores estarán marcados con parámetros como kV800 y kvl 000, que indican el valor que aumenta la velocidad de ralentí del motor por cada aumento de 1V en la tensión de entrada. El modelo del motor es generalmente un número como 2212, 2018. Los dos primeros dígitos indican el diámetro del rotor y los dos últimos dígitos indican la altura del rotor. Cuanto mayor sea el número, mayor será la potencia del motor. Para el quadcopter para fotografía aérea de nivel de entrada, elija 2212 o un motor más grande.


Además, al comprar un motor, generalmente se recomiendan hélices a juego. Las hélices del quadcopter son hélices positivas y negativas y deben comprarse en pares. Los parámetros de la hélice son similares a 1045. Los primeros 2 dígitos representan el diámetro de la hélice (eje = 25,4 mm) y los 2 dígitos posteriores son el ángulo de la hélice.


3. Gobernador electrónico de drones


El regulador de velocidad electrónico se abrevia como ESC. Se utiliza para controlar la velocidad del motor. 4 motores deben ser controlados por 4 ESC. El motor de CC con escobillas tradicional está conectado a dos cables. Cuanto mayor sea el voltaje, más rápida será la rotación. Cuando se invierte la fuente de alimentación, la rotación se invierte. El motor sin escobillas generalmente tiene al menos 3 cables y el ESC cambia constantemente la corriente para controlar la velocidad. La señal para el control ESC es generalmente PWM, que se establece mediante diferentes ciclos de trabajo. Un parámetro importante de un ESC es el amperaje, que representa cuánta potencia puede soportar. Se recomienda que el ESC utilizado para fotografía aérea use de 20 a 30 A o más. Además, al elegir un ESC, es mejor tener una salida BEC, que en realidad es una salida de voltaje de 5 V, que puede alimentar el microordenador y los sensores de un solo chip en la aeronave y reducir la complejidad del circuito.


4. Control de vuelo


Control de vuelo es un término colectivo para sensores, computadoras de un solo chip, receptores de control remoto y otros circuitos periféricos. Además de la autoestabilización, las placas de control de vuelo generales también admiten diferentes funciones, como control de cardán de fotografía aérea, luces nocturnas, módulos GPS, etc. El hardware de la placa de control de vuelo incluye principalmente giroscopio, sensor de aceleración y microordenador de un solo chip. El giroscopio solo se usa para detectar la velocidad angular de la aeronave, y la aceleración se usa para detectar la actitud de la aeronave. Una vez que la aeronave está en el cielo, a menudo se ve afectada por perturbaciones del aire y vibraciones de la hélice, y el ángulo de actitud medido por el sensor de aceleración tiene un gran error. Aunque el giroscopio mide la velocidad angular con precisión, necesita integrar la velocidad angular para obtener la actitud, lo que provocará un gran error acumulativo con el tiempo. Por lo tanto, la parte central del software de la placa de control de vuelo debe tener un algoritmo de fusión para corregir errores. Se dice que los últimos sensores de seis ejes (como el MPU6050) ahora tienen un algoritmo de fusión.


5. Batería


El cuadricóptero con batería requiere una fuente de energía liviana y de alta potencia. Generalmente, se utilizan baterías de polímero de iones de litio. Los principales parámetros de la batería de litio Li-po incluyen el voltaje nominal, la capacidad de la batería y la capacidad de descarga. Tomando 3S / 2000mAh / 25C como ejemplo, el voltaje de cada celda de una batería de litio es de aproximadamente 3.7v, y varias baterías de litio generalmente se conectan en serie según sea necesario.


6. El control remoto del dron de cuatro ejes.


Control remoto Si planea controlar de forma remota un cuadricóptero en miniatura en interiores, puede elegir un control remoto básico.Algunos cuadricópteros también se pueden controlar de forma remota a través de teléfonos móviles Bluetooth. Si planea reproducir fotografías aéreas, necesita un control remoto de modelo de avión profesional. En la actualidad, existen muchas marcas y tipos de mandos a distancia, y los precios van desde varios cientos hasta varios. Elija lo que necesita al elegir. Se recomienda utilizar un mando a distancia con más de 4 canales, cuantos más canales, más funciones se pueden controlar. Además, el control remoto del modelo de avión se divide en "mano americana" y "mano japonesa", que corresponden al acelerador de control de la mano izquierda y el acelerador de control de la mano derecha respectivamente. En términos generales, la gente normal está acostumbrada a usar "manos americanas", y muchos controles remotos ya admiten cambios en la configuración. La frecuencia es generalmente de 2 4GHz, que es más convencional y muy estable. En cuanto a la distancia del control remoto, el control remoto general es de más de unos pocos cientos de metros, y el control remoto avanzado puede alcanzar varios metros secos. Pero dicho esto, el quadcopter es básicamente incapaz de ver su actitud cuando está a cientos de metros de distancia, por lo que no hay necesidad de seguir una gran distancia de control remoto.


Además del control remoto de mano, el quadcopter también se puede controlar de forma remota de otras formas. Por ejemplo, el área urbana actual a unos pocos cientos de metros del suelo está cubierta básicamente por señales de telefonía móvil, por lo que se puede instalar un teléfono móvil para introducir una tarjeta SIM en el avión y comunicarse a través de redes GPRS o 3G. También es posible agregar un módulo GPS a la aeronave, de modo que incluso sin control remoto, a través del software preestablecido, el quadcopter pueda regresar automáticamente a casa después de realizar tareas en la ubicación designada.


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3. El principio de potencia de la solución quadcopter

1. El modo de vuelo del quadcopter


Los modos de vuelo del quadcopter incluyen principalmente el modo cruzado y el modo en forma de x, como se muestra en la Figura 1.

四轴飞行器的飞行模式

La dirección de vuelo en el modo cruzado es la misma que la dirección de instalación de uno de los motores, mientras que la dirección de avance del quadcopter en el modo x apunta a la mitad de los dos motores. Debido a que el modo cruzado puede distinguir directa y claramente las funciones de los cuatro motores durante el vuelo del quadcopter, el control es simple, pero la flexibilidad de movimiento es pobre. El modo de vuelo del modo x es complicado, pero la acción es flexible. El diseño de aviones de cuatro rotores de este tema adopta el modo x.


2. Análisis dinámico de quadcopter


La potencia del quadcopter proviene de los cuatro motores en las alas, que impulsan las hélices para proporcionar potencia aerodinámica. Al igual que los ventiladores normales, la hélice empujará el aire hacia adelante o hacia atrás a través de su estructura aerodinámica al girar (según la dirección de rotación. ). Para un quadcopter, las cuatro hélices necesitan empujar el aire hacia abajo para generar propulsión hacia arriba. Para las hélices de aire, cuando el motor se detiene en el aire, la hélice continúa girando en la dirección original como un molino de viento, este fenómeno se convierte en el giro de la hélice. A través del análisis de fuerza de la hélice, se puede saber que si una hélice gira en el sentido de las agujas del reloj, la hélice producirá una fuerza de reacción en sentido antihorario en el fuselaje, lo que hará que el fuselaje gire en sentido antihorario. Si usamos cuatro hélices idénticas para empujar el aire de la hélice hacia abajo, entonces la rotación de los cuatro motores es la misma, el par de rotación generado por las hélices impulsadas por los motores se moverá en la misma dirección y los cuatro ejes comenzarán a girar salvajemente. Por lo tanto, para contrarrestar el giro de las hélices, un par de hélices adyacentes del cuadricóptero deben girarse en direcciones opuestas para que las fuerzas de reacción generadas por este par de hélices se cancelen entre sí.


El cuadricóptero en sí es un sistema de submarcha. Cuando la velocidad de rotación generada por los 4 motores es igual y la elevación es igual al peso del cuadricóptero, el cuadricóptero estará en un estado de vuelo estacionario. Cuando el avión está en vuelo estacionario, puede haber una combinación de 6 grados de libertad, a saber, cabeceo (movimiento hacia adelante y hacia atrás), balanceo (movimiento hacia la izquierda y hacia la derecha) y elevación (movimiento hacia arriba y hacia abajo).


Cuarto, el diseño de hardware del quadcopter.

Todo el sistema de control del quadcopter incluye principalmente un módulo de fuente de alimentación, un módulo de control, un módulo de accionamiento de motor, un módulo de sensor y un módulo de comunicación, como se muestra en la Figura 2.


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El módulo de alimentación proporciona alimentación principalmente a varios módulos y el voltaje proporcionado se divide principalmente en tres tipos: 3,3 V, 5 V, 3,4 V-4,2 V. Entre ellos, 3.3V es principalmente para suministrar energía al controlador y al sensor de actitud; 5V es principalmente para suministrar energía al módulo de comunicación, y 3.4V a 4.2V (salida directa de la batería) es principalmente para suministrar energía al motor.


La parte de comunicación es principalmente señales de cuatro canales del control remoto. Comandos de cabeceo, balanceo, giro y aceleración respectivamente; el módulo sensor se utiliza como la parte de detección de actitud de la aeronave, que convierte las señales de velocidad angular y aceleración angular detectadas en ángulos a través del controlador, y utiliza las señales de ángulo como la actitud actual de la aeronave y la parte de control remoto La señal compara el control de circuito cerrado requerido para la carrera.


El controlador principal procesa la señal de control remoto recibida por comunicación y la señal de actitud recolectada por el sensor, analiza los datos y realiza el procesamiento de fusión, y finalmente obtiene el valor de control del motor a través del algoritmo PID, y el valor finalmente se emite en la forma de PWM para impulsar el motor.


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5. Diseño de software de quadcopter

El software del sistema de control está escrito en lenguaje C, y la empresa de microprocesadores proporciona potentes funciones de biblioteca, de modo que el diseño de todo el sistema de software puede centrarse más en algoritmos y arquitectura de software. El diseño final del sistema de hardware y el sistema de software del quadcopter es controlar la velocidad del motor, por lo que la onda PWM que controla la velocidad del motor es la salida final del sistema de software.


Las funciones principales del sistema de software son recibir y analizar los datos del control remoto, leer los datos de velocidad angular y aceleración en el sensor de actitud y realizar la fusión de datos, y el algoritmo PID en cascada combina el ángulo objetivo analizado recibido del control remoto y el ángulo actual después de la fusión de datos. Obtenga la onda PWM necesaria para controlar el motor.


1. Realización del cálculo de actitud


El cálculo de la actitud es el núcleo de si la aeronave se puede controlar con normalidad. Su función principal es convertir la actitud del objetivo (ángulo de Euler) obtenido del control remoto y la velocidad angular y la aceleración obtenidas del sensor de actitud en Euler real a través del filtrado complementario y el algoritmo de cuaternión. El ángulo, el valor objetivo y el resultado final del cálculo real se proporcionan al controlador PID y finalmente se obtiene el valor de salida del motor PWM.Los pasos de cálculo se muestran en la Figura 3.


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2. Algoritmo de control PID


El algoritmo de control del quadcopter adopta el controlador PID como algoritmo de control del sistema. El controlador PID tiene principios simples, buena robustez, amplio rango de aplicación y fácil ajuste de parámetros. El algoritmo de control PID se usa ampliamente en el campo del control de automatización, y su principio se muestra en la Figura 4.


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Control proporcional: puede responder rápidamente a los errores. Una vez que ocurre la desviación, el controlador tomará el control inmediatamente para reducir el error. Sin embargo, el control proporcional no puede eliminar el aumento en el error de estado estable KP, lo que causará inestabilidad del sistema.


Control integral: se utiliza principalmente para eliminar errores estáticos y mejorar el grado de ausencia de errores del sistema. Mientras haya un error en el sistema, el controlador integral continuará acumulando y emitiendo el valor de control para eliminar el error. Por lo tanto, mientras haya suficiente tiempo, el control integral eliminará completamente el error. Si la acción integral es demasiado fuerte, el sobreimpulso del sistema aumentará, o incluso El sistema oscila.


Enlace diferencial: puede reflejar la tendencia de cambio de la señal de desviación y puede introducir una señal de corrección temprana efectiva en el sistema antes de que el valor de la señal de desviación sea demasiado grande, lo que puede acelerar la respuesta dinámica del sistema, reducir el tiempo de ajuste y al mismo tiempo reducir Pequeño sobreimpulso, evita las sacudidas, mejorando así el rendimiento del sistema.


Debido a que el sistema de potencia del quadcopter es un sistema de control no lineal, el uso del algoritmo PID tradicional no solo es problemático en la modulación de parámetros, sino que también es difícil de controlar. Entonces, lo que adopta este sistema de diseño es el control PID en cascada, la salida de la primera etapa se considera la entrada de la segunda etapa. El anillo exterior adopta un anillo de ángulo y el anillo interior adopta un anillo de velocidad angular El algoritmo PID en cascada se puede utilizar para controlar la estabilidad de todo el sistema.